干涉型光纤相位传感器

1、2021-10-311分布式光纤相分布式光纤相位传感器位传感器2021-10-3122021-10-3132021-10-3142021-10-3152021-10-316传统的解决方法v人工巡查人工巡查不能及时发现泄漏而且需要大量的人力和物力不能及时发现泄漏而且需要大量的人力和物力。v在线泄漏检测法在线泄漏检测法（瞬变流模型法、压力点分析法）检测泄漏灵敏度不高、（瞬变流模型法、压力点分析法）检测泄漏灵敏度不高、反应不及时、定位准确度不高反应不及时、定位准确度不高,容易误报警容易误报警vOTDR(光时域反射光时域反射)功率低功率低,信噪比不高信噪比不高,不能实时检测不能实时检测(断点检测断点检

2、测),响应速度低响应速度低 2021-10-317分布式光纤相位传感器2000)cos(1EdtwtkxETITLight SourceData ProcessionFiber 应变效应 光隙效应 泊松效应)cos(22121IIIII2021-10-318光纤线路敷设v传感光纤和管道埋于同一水平位置,这样既可以确保光纤及时发现破坏行为,又能保证其不受人类正常活动所影响2021-10-319干涉仪的种类v麦克尔逊(Michlson)光纤干涉仪v马赫-泽德(Mach一Zehnder)光纤干涉仪v萨格纳克(sagnac)光纤干涉仪v法布里-珀罗 (Fabry一Perot)光纤干涉仪2021-10-

3、3110麦克尔逊马赫-泽德萨格纳克法布里-珀罗2021-10-31xxxxxx系11MZ干涉技术1v由1端发出的窄带激光,在R处受扰动信号的调制而发生相位改变,经过 时间后,到达2端.v同理,由2端发出的窄带激光,在经过 后到达1端v所以信号时延为v通过测量信号时延,即可以确定扰动位置2021-10-31xxxxxx系12MZ特点v优点:解调技术相对简单.可以简单地采用光电检测器直接进行光功率测量对光源的相干度要求不高可以对多点扰动进行分析、定位v缺点温度等环境的变化作用于光纤上,同样会改变光相位,从而使系统的信噪比降低加强光功率,可以适当提高信噪比,但同样会增加其他非线性效应降低信噪比202

4、1-10-3113基于基于Sagnac干涉仪光纤传感器干扰检测干涉仪光纤传感器干扰检测定位技术研究定位技术研究2021-10-31xxxxxx系14v设有振幅分别为 和 的两个相干光束，干涉场中各点的光强为v当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定，光强度变化率为零v当这两束光在外界因素干扰下，会产生不同的相移，设受扰动作用的光纤长度为 ，则其产生的相位变化为:cosII2III21211E2Elrrlnnllllll 2021-10-3115 是由光源产生波的时间相位偏移(与时间的变化有关)， 分别为两束光沿光纤干涉环长度为 和 传播的时间， 表示除声音主干扰源外其他因素对系统产生的常相位

5、偏移)cos(1I0I21、1R2R 210cos1IttIt2021-10-31xxxxxx系16 设干扰源信号是正弦信号(或形如正弦信号)的情况下，即 ( 为干扰信号所产生的相位变化的幅度) 光强的交流部分为 所以干扰信号的幅度为 twssint00 2sin2cos00ssswtwtwPtP2sin00swwPPs2021-10-31xxxxxx系17所以零点频率发生在推导出干扰源位置 与零频之间的关系为故Nws,., 021R1,22RLnNcwfnsns2,1nsnfNcLRfTwTs1,22021-10-31xxxxxx系18vSagnac光纤干涉仪在用于时变信号的测量时，这些干扰

6、源的时变信号应是连续且较平坦的宽频信号，类似正弦信号特性。sagnac干涉仪可对这些干扰源进行定位。对于具体的情况有不同的理论公式推导，可以得出类似的零频-距离之间准确关系2021-10-31xxxxxx系19sagnac特点v优点零光程差，因此不存在两传感臂长度不一致引起的噪音,对偏振控制要求不是很高结构具有互易性特点，能清除环境温度所造成的不稳定因素的影响对光源要求低，可使用高功率的宽带光源，更适合长距离管道检测灵敏度相对于其他干涉仪要高2021-10-3120v缺点定位方法严重依赖于外界作用的频率特性光纤须构成环状,这样其中一路光纤需要做屏蔽需要确定零频点,对于解调电路的要求很高,时域解

7、调易于实现2021-10-31xxxxxx系21一种新的直线型Sagnac光纤干涉仪21)A-B-D-FRM-D-B-A2)A-C-D-FRM-D-B-A经过泄漏点时间不同,但是走过的路径长度是一样的3)A-B-D-FRM-D-B-A4)A-C-D-FRM-D-C-A这两束光不能产生干涉且与1)2)两束光也不能发生干涉Faraday旋转镜可消除光纤固有的双折射,还可消除其他如温度等引起的互易双折射效应2021-10-31xxxxxx系22v在实验室条件下进行了管道泄漏模拟实验.管道长700mm,外径74mm,壁厚6mm,距管道左端A为150mm处开有一直径为3.5mm的泄漏孔,水压0.4Mpa

8、.使用康宁单模光纤作为传感光纤,线芯折射率为n=1.5,泄漏点距法拉第旋转镜4.020km,延迟线圈长4km,函数发生器施加于相位调制器的载波信号频率为92kHZ,幅值为2V.宽带光源中心波长为1550nm,带宽为30nm,功率为20mw.利用NI的数据采集卡和LabVIEW软件对检测信号进行采集和分析2021-10-31xxxxxx系23信号分析泄漏信号零点频率图在12.5kHZ附近有明显的波谷,此波谷对应的最低点即为所求的零点频率.利用前述公式可得泄漏点距离为3.9768km,绝对误差为-43.2m.2021-10-31xxxxxx系24v为了验证此传感器定位精度,重复做了15次实验v由表

9、计算可得,测量数据均值为3978.0m,与实际值(4020.0m)绝对误差为42.0m,相对误差为1%.这说明研制的传感器系统误差较小,满足测试要求v分别对3.5mm/3.0mm/2.5mm/2.0mm/1.0mm的泄漏孔径的管道进行实验,发现2.0mm以上的泄漏点可以较为准确的定位,1.0mm时,信号太弱,从零频图中不能确定泄漏点的位置2021-10-31xxxxxx系25直线型的改进型3v消除环状结构中扰动的互易性噪声v同时采用一个22耦合器实现光路循环,克服了光纤镀膜极易磨损,封装隔离的麻烦.v合理的选择延迟光纤的长度,能消除由于光路和电路中各种噪声、光源功率漂移引起的传感死区现象202

10、1-10-31xxxxxx系26信号处理vMatlab进行FFT变换,小波去噪,曲线平滑,最小二乘法拟合确定零频点2021-10-31xxxxxx系27实验结果分析v最大误差68m,最小误差3m,平均误差19.3m2021-10-31xxxxxx系28sagnac干涉仪在实际中的应用v管道泄露检测和定位应用 基于sagnac干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测技术可实现长距离、小泄漏管道检测。因此，不久将来分布式光纤传感技术将成为长距离管道泄漏检测的主要技术手段2021-10-31xxxxxx系29光纤围栏报警系统v自动识别引起干扰信号的类型，如动物、人、车等所对传感系统所产生的干扰。(对信号进行通过合适的算法进行模/数转换以及数字信号处理，重建干扰源所产生的扰动函数，然后与数据库中存储的不同干扰源信号图形进行相关度分析，设定相关度大小，然后分析出干扰源类型，实现自动识别功能)v在飞机场、边境线、核电站、监狱、军事基地、变电站、高级别墅等地方的应用 2021-10-31xxxxxx系30参考文献v1 刘波,杨亦飞,牛文成,et.al.光纤围栏技术特点及研究现状J.光子技